新型自重构并联足式步行机器人系统开发与研究

发布时间：2017-08-04 00:01

  本文关键词：新型自重构并联足式步行机器人系统开发与研究

  更多相关文章： 可重构 多足步行机器人 稳定性 步态规划 控制仿真

【摘要】：针对在特殊场合样本拾取这一任务,本文将并联行走机器人与重构机构相结合,提出一种自重构并联步行机器人。本文从结构设计与分析、重构模式、稳定性分析、步态规划、运动仿真、控制系统的设计与仿真等方面开展研究;为并联机构与重构结构的应用开辟新途径,有很好的应用前景。主要研究内容如下:首先,提出以6-SRU并联机构作为重构机器人的主体;基于螺旋理论,研究其重构前后的自由度并对其进行整体性能分析,确定了机器人结构的合理性;给出三种自重构模式并在S副处设计自重构结构;建立了操作臂的连杆坐标系,得出操作臂末端点的工作空间,说明自重构分支与整体无干涉。其次,基于ZMP法,对机器人进行动态稳定性的分析与行走步态的研究,对水平直行、转弯和爬坡三种步态进行规划,为机器人的行走以及实际应用奠定了理论基础。再次,对主要功能模块(自锁模块、重构模块和重构结构)进行机械结构设计;通过ADAMS建立步行机器人的虚拟模型,对机器人在运动时的运动学及动力学问题进行研究,对比理论结果,验证了理论分析结果的正确性和机器人轨迹规划的正确性。然后,针对机器人的运动需求,以分布式半闭环伺服运动控制为该机器人控制方案,给出机器人的运动控制流程;构建了硬件控制系统,利用MATLAB/Simulink搭建控制系统仿真模型;提出三种控制策略,通过控制系统的仿真结果探讨控制策略的优劣,确定该机器人的控制策略;对其进行硬件之间的虚拟连线搭接,为实际控制系统的构建打下基础。最后,对该机器人在结构改进、自重构对中问题、控制系统实物搭建与编程方面做了展望。
【关键词】：可重构 多足步行机器人 稳定性 步态规划 控制仿真
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-18
• 1.1 研究背景11-12
• 1.2 多足步行机器人的发展现状12-15
• 1.2.1 国外行走机器人的发展12-14
• 1.2.2 国内行走机器人的发展14-15
• 1.3 并联机构的发展15-16
• 1.4 自重构机器人定义16
• 1.5 本文的研究意义及主要内容16-18
• 1.5.1 研究意义16-17
• 1.5.2 研究内容17-18
• 第2章 机器人性能分析与结构设计18-32
• 2.1 引言18
• 2.2 步行机器人整体描述18-19
• 2.3 机器人重构模式19-25
• 2.3.1 整体自由度分析20-21
• 2.3.2 单分支重构后自由度分析21-24
• 2.3.3 手爪的工作空间24-25
• 2.3.4 重构分支与整体的干涉25
• 2.4 步行机器人位置分析25-28
• 2.4.1 位置反解分析26-27
• 2.4.2 MATLAB反解算例27-28
• 2.5 步行机器人各主要模块设计28-31
• 2.5.1 普通U副模块设计28
• 2.5.2 自锁U副模块设计28-29
• 2.5.3 重构分支U副模块设计29
• 2.5.4 自重构模块设计与选型29-31
• 2.6 本章小结31-32
• 第3章 机器人动态稳定性分析与步态规划32-46
• 3.1 引言32
• 3.2 机器人运动传递分析32-36
• 3.2.1 6-SRU并联机构一阶影响系数33-34
• 3.2.2 6-SRU并联机构二阶影响系数34-35
• 3.2.3 6-SRU机器人合力计算35-36
• 3.3 动态稳定性判定条件36-37
• 3.4 6-SRU机器人的步态规划37-44
• 3.4.1 水平直线行走步态38-40
• 3.4.2 转弯步态40-41
• 3.4.3 爬坡步态41-43
• 3.4.4 非结构化地面行走43
• 3.4.5 行走时各驱动角度曲线43-44
• 3.5 本章小结44-46
• 第4章 6-SRU机器人运动参数分析与仿真46-66
• 4.1 引言46
• 4.2 6-SRU机构仿真模型的建立46
• 4.3 6-SRU机构添加约束46-47
• 4.4 6-SRU模型运动仿真47-60
• 4.4.1 6-SRU运动学分析47-58
• 4.4.2 6-SRU步行机器人动力学分析58-60
• 4.5 MATLAB与ADAMS联合仿真60-65
• 4.5.1 联合仿真流程60-61
• 4.5.2 联合仿真建模流程61-65
• 4.6 本章小结65-66
• 第5章 机器人控制系统设计与仿真66-90
• 5.1 引言66
• 5.2 机器人运动控制分析66-68
• 5.2.1 一般性需求66
• 5.2.2 自重构需求66-67
• 5.2.3 机器人运动流程67
• 5.2.4 控制系统方案设计67-68
• 5.3 控制系统硬件组成68-71
• 5.3.1 运动控制卡68-69
• 5.3.2 交流伺服系统69-70
• 5.3.3 减速器选型70
• 5.3.4 主要附属硬件型号70-71
• 5.4 交流伺服电机的数学模型71-73
• 5.5 电流调节器数学模型及仿真73-76
• 5.6 速度调节器数学模型及仿真76-80
• 5.7 位置调节器数学模型及仿真80-82
• 5.8 各策略位置环仿真对比82-85
• 5.8.1 PID控制器分析82
• 5.8.2 PID+速度前馈控制器分析82-83
• 5.8.3 控制卡位置环分析83-85
• 5.9 仿真结果对比分析85-87
• 5.10 硬件接口配线设计87-89
• 5.10.1 控制器、驱动器连接87-88
• 5.10.2 驱动器主回路接线88-89
• 5.11 本章小结89-90
• 结论90-92
• 参考文献92-97
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务及主要成果97-98
• 致谢98

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本文编号：616871